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鈉離子電池行業(yè)研究：鈉電量產(chǎn)元年來(lái)臨，重視“變革”與“切換”

時(shí)間:2022-11-25 11:15來(lái)源:華福證券 作者:鄧偉 游寶來(lái)
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鈉離子電池發(fā)展歷程
 
　　鈉離子電池具備成鋰離子電池互補(bǔ)方案的天然優(yōu)勢(shì)
 
　　鈉元素儲(chǔ)量豐富分布均勻，是鋰離子電池可期互補(bǔ)方案 。鋰離子電池較早開(kāi)始商業(yè)化進(jìn)程，主要是由于鋰相對(duì)原子質(zhì)量小、標(biāo)準(zhǔn)電極電位低、比容量高。而鈉元素儲(chǔ)量豐富、分 布更均勻，且能兼容已有的鋰電產(chǎn)線，從資源供應(yīng)保障、成本角度考慮，鈉離子電池是鋰離子電池的優(yōu)選互補(bǔ)方案。
 
　　鈉離子電池研究發(fā)源已久，即將進(jìn)入爆發(fā)期
 
　　萌芽期：1967年從高溫鈉硫電池出發(fā)。 停滯期：在1979年法國(guó)Armand提出“搖 椅電池”概念后，由于鋰離子電池體系中 應(yīng)用較為廣泛的石墨負(fù)極儲(chǔ)鈉能力欠缺， 對(duì)鈉離子電池的研究幾乎停滯。 重啟期：直至2000年加拿大Dahn等發(fā)現(xiàn) 硬碳負(fù)極具備優(yōu)異的可逆儲(chǔ)鈉能力，學(xué)界 才繼續(xù)推進(jìn)。 復(fù)興期：到2010年，隨鋰離子電池研究和 產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)趨于成熟，以及對(duì)鋰資源的擔(dān) 憂，鈉離子電池的研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，進(jìn) 入復(fù)興時(shí)期，海內(nèi)外出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化公司和零 星商業(yè)化應(yīng)用。 爆發(fā)期：直至2021年7月，寧德時(shí)代發(fā)布 第一代鈉離子電池，宣布計(jì)劃2023年形成 基本產(chǎn)業(yè)鏈，疊加鋰價(jià)在2021年底-2022 年年初快速上漲，引發(fā)全產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)互補(bǔ)、 替代方案——鈉離子電池的高度重視，涌 現(xiàn)數(shù)十家推動(dòng)鈉離子電池及原材料量產(chǎn)的 企業(yè)。當(dāng)前碳酸鋰價(jià)格突破60萬(wàn)元/噸， 更近一步加速鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
 
電池及材料技術(shù)路線對(duì)比
 
　　電池：工藝與鋰離子電池類似
 
　　鈉離子電池與鋰離子電池生產(chǎn)工藝基本類似，傳 統(tǒng)鋰離子電池產(chǎn)線可調(diào)試轉(zhuǎn)產(chǎn)。鈉離子電池生產(chǎn)工序主要包括極片制作（制漿-涂 布-輥壓-模切）和電芯的組裝（卷繞/疊片、入殼 、封裝、化成、分容），整體生產(chǎn)工藝與鋰離子 電池類似，僅在負(fù)極集流體上換用鋁箔、以及配 方調(diào)整。目前鋰離子電池產(chǎn)線基本在調(diào)試之后可 切換成鈉離子電池產(chǎn)線，不需要額外設(shè)備投資。 與鋰離子電池類似，鈉離子電池也可制成軟包、 圓柱、方殼形態(tài)。
 
　　正極：三條路線各有千秋，層狀氧化物有望率先應(yīng)用
 
　　層狀氧化物（基本已攻克，量產(chǎn)首選方案）：結(jié)構(gòu)類似鋰離子電池三 元正極材料，比容量相對(duì)較高、綜合性能好，通過(guò)調(diào)整過(guò)渡金屬元素 選擇和比例，可以兼顧動(dòng)力、儲(chǔ)能等多場(chǎng)景需求。工藝成熟（工藝流 程和設(shè)備和鋰電三元材料相似），配套企業(yè)基本為成熟三元正極材料 廠商，能夠提供一致性好、性能穩(wěn)定的樣品、量產(chǎn)原料，是近期產(chǎn)業(yè) 化首選方案。
 
　　普魯士藍(lán)白（攻克中）：過(guò)渡金屬可僅使用成本較低的Fe或Mn，理 論能量密度較高，合成溫度低（能耗成本低），是初期熱門(mén)路線，但 由于量產(chǎn)時(shí)結(jié)晶水控制較難（影響循環(huán)和安全性），當(dāng)前穩(wěn)定性較差， 待未來(lái)工藝控制成熟后有望成為高能量密度+低成本優(yōu)選方案。
 
　　聚陰離子（儲(chǔ)備方案）： 圖表：鈉離子電池正極技術(shù)路線性能 類似磷酸鐵鋰的橄欖石 結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高， 從而具備最長(zhǎng)的理論循 環(huán)壽命，更適合用于儲(chǔ) 能市場(chǎng)。但導(dǎo)電性較差， 能量密度較低。其中摻 釩路線成本較高、摻鐵 路線能量密度表現(xiàn)較差， 當(dāng)前主要作為儲(chǔ)備方案。
 
　　層狀氧化物：工藝流程與三元正極類似，配方可調(diào)節(jié)性較高
 
　　常見(jiàn)的是八面體位置（O3，初始鈉含量更高，容量更高）和三棱柱位置（P2，層間距更大，提升傳輸速率（倍率性）和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性）兩種排列 方式。 由于鈉比鋰更容易與過(guò)渡金屬分離形成層狀結(jié)構(gòu)，目前僅發(fā)現(xiàn)鎳鈷錳形成的鋰層狀氧化物可以可逆充放電，而鈉的選擇還包括Ti、V、Cr、Fe 、Cu等。不同配方對(duì)結(jié)構(gòu)影響很大，除了通過(guò)對(duì)合成出的材料進(jìn)行物理表征以確定其具體構(gòu)型外，目前還沒(méi)有一種方法能夠直接預(yù)測(cè)層狀材料 的堆疊結(jié)構(gòu)，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)制備。 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展：主要生產(chǎn)步驟分為前驅(qū)體混合和正極燒結(jié)，改性措施包括包覆、摻雜等，基本可與鋰離子電池三元正極產(chǎn)線兼容，燒結(jié)氣氛沒(méi)有 強(qiáng)制要求純氧，密閉性要求較低，燒結(jié)次數(shù)一般為2次，中低鎳產(chǎn)線基本滿足要求，按高鎳要求設(shè)計(jì)的產(chǎn)線有超產(chǎn)比例（產(chǎn)能彈性來(lái)源于燒結(jié)時(shí) 長(zhǎng)和次數(shù)）。
 
　　普魯士類：比容量高、理論成本低但工藝難度大
 
　　普魯士材料呈三維立方體結(jié)構(gòu)，Na+具備合適擴(kuò)散通道，理論倍率性能和循環(huán)性能好（通過(guò)選擇不同的過(guò)渡金屬可以調(diào)控 電壓和比容量，具備很高的材料設(shè)計(jì)靈活性）。根據(jù)Na+含量不同，x＜1稱為普魯士藍(lán)，x≥1成為普魯士白。由于普魯士白 含鈉量較高，比容量也更高。由于溶度積常數(shù)較低，可以作為水溶液體系正極材料。 發(fā)展歷程：最初的用途是上釉和油畫(huà)染料，可追溯到1704年，德國(guó)人海因里希·狄斯巴赫在實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)一種紅色顏料時(shí)， 由于實(shí)驗(yàn)污染而獲得了深藍(lán)色沉淀，畢加索、梵高畫(huà)作頻繁使用。 制備方法：普魯士類材料制備常采用共沉淀法、水熱法，70-120 ℃即可，無(wú)需高溫?zé)Y(jié)，成本較低；目前實(shí)際比容量可以 達(dá)到150-160mAh/g，工作電壓可以達(dá)到3.3-3.4V。由于鐵氰化物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、前驅(qū)體簡(jiǎn)單易得，研究多集中于此。 加工難度：普魯士類材料瓶頸在于易吸水加工難度大。生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)存在一定結(jié)晶水，存在脫出導(dǎo)致電池短路和與電解液反 應(yīng)產(chǎn)生HF的風(fēng)險(xiǎn)。大規(guī)模量產(chǎn)對(duì)控水要求極高，大規(guī)模量產(chǎn)工藝端存在較大的難度。
 
　　負(fù)極：由石墨切換為無(wú)定形碳，硬碳和軟碳均有發(fā)展?jié)摿?/strong>
 
　　鈉離子電池負(fù)極當(dāng)前一般不使用石墨，在碳基體系中多采用 無(wú)定形碳。早期觀點(diǎn)認(rèn)為Na+直徑是Li+1.3倍，無(wú)法在石墨 層間自由遷移，但K、Rb、Cs仍有較高的可逆比容量表現(xiàn)。 本質(zhì)上還是由于熱力學(xué)問(wèn)題，鈉離子與石墨層之間相互作用 力弱，在當(dāng)前常用電解液中難以形成穩(wěn)定插層化合物（除非 替換成醚類溶劑）。鈉離子電池?zé)o法直接沿用石墨負(fù)極，多 采用石墨化程度較低的無(wú)定形碳，層間距比石墨高，為實(shí)現(xiàn) 無(wú)損耗的高倍率性打下基礎(chǔ)。 硬碳比容量較高，但成本和規(guī)�；写媪觿�(shì)。硬碳前驅(qū)體為 熱固性材料，高溫下難以石墨化，結(jié)構(gòu)排布更無(wú)序，有豐富 微孔、材料間隙更大，比容量更高、膨脹系數(shù)小。但孔洞過(guò) 多導(dǎo)致比表面積較大，首次效率低。且硬碳一般采用生物質(zhì) 、淀粉、樹(shù)脂等前驅(qū)體，產(chǎn)碳效率低，成本相對(duì)較高。 軟碳儲(chǔ)鈉容量低，但前驅(qū)體產(chǎn)碳率更高，具備成本優(yōu)勢(shì)。軟 碳前驅(qū)體為熱塑性材料，高溫下易于石墨化，結(jié)構(gòu)更有序， 層間距更短，儲(chǔ)鈉容量較低。前驅(qū)體一般采用煤、瀝青、石 油焦等石化工業(yè)副產(chǎn)品，產(chǎn)業(yè)鏈配套更為成熟，產(chǎn)碳效率可 以達(dá)到90%以上。 此外，合金類、金屬氧化物或金屬硫化物等負(fù)極一般具有較 高的比容量，但存在首次庫(kù)倫效率低、電極粉化等問(wèn)題。鈦 基負(fù)極空氣穩(wěn)定性好，也具備儲(chǔ)備潛力。
 
　　負(fù)極生產(chǎn)工藝：碳化比石墨化能耗更低，工藝呈現(xiàn)多樣性
 
　　鈉離子碳基負(fù)極制備溫度更低：無(wú)定形碳加工基本僅需1000-1500°C左右碳化加熱，而石墨負(fù)極的石墨化工序溫度至少要達(dá)到3000°C以 上，從能耗成本角度更為節(jié)約。 生產(chǎn)環(huán)節(jié)相似，部分環(huán)節(jié)對(duì)設(shè)備有特殊要求：設(shè)備主要為粉碎混合用的球磨機(jī)、混合機(jī)等，加熱用的窯爐、炭化爐等，其中部分加熱工序 需要特殊氣氛（對(duì)密閉性有要求），此外部分預(yù)處理工序?qū)δ透g性有要求，硬碳前驅(qū)體粉末需要揚(yáng)塵控制。 技術(shù)發(fā)展和可選改性方案：軟碳、硬碳前期研究目的主要是在鋰離子電池石墨負(fù)極體系中進(jìn)行摻雜/包覆以實(shí)現(xiàn)改性（提升倍率性等）， 主流負(fù)極企業(yè)多有相關(guān)布局。在鈉離子電池體系中，由于軟碳、硬碳材料本身均存在性能缺陷，為提升綜合性能，可進(jìn)行預(yù)活化、預(yù)氧化 、混合摻雜、包覆等改性處理。如：碳源的選取可混合軟碳和硬碳；可摻雜N、S、金屬氧化物、合金等；通過(guò)包覆形成三維立體核殼結(jié) 構(gòu)，在形成豐富微孔儲(chǔ)鈉的同時(shí)改善表面導(dǎo)電性能。此外在燒結(jié)工藝、負(fù)極極片制作工藝上也有豐富提升手段。 總體而言，負(fù)極前驅(qū)體選型、加工工藝、改性手段均存在技術(shù)多樣性，成本拆分、定價(jià)模型不透明，負(fù)極廠商更易形成技術(shù)壁壘和議價(jià)優(yōu) 勢(shì)。
 
　　電解液：六氟磷酸鈉可使用現(xiàn)有產(chǎn)線，為量產(chǎn)首選方案
 
　　鈉離子電池電解液與鋰離子電池類似，由溶質(zhì)、溶劑、添加劑組成。其中溶質(zhì)須鋰鹽替換為鈉鹽，溶劑、添加劑基本可復(fù) 用鋰離子電池中的成熟體系，但也需要根據(jù)鈉離子特性做配方調(diào)整以提升性能。 鈉離子斯托克斯直徑比鋰離子小，低濃度的鈉鹽電解液具有較高的離子導(dǎo)電率，理論上可以使用低濃度電解液，以節(jié)約成 本。 溶質(zhì)鈉鹽主要分為有機(jī)鈉鹽和無(wú)機(jī)鈉鹽兩大類，其中無(wú)機(jī)鈉鹽中的NaPF6生產(chǎn)工藝與鋰離子電池體系成熟運(yùn)用的六氟磷酸 鋰工藝結(jié)構(gòu)類似，被認(rèn)為是最具產(chǎn)業(yè)化前景的鈉鹽，但熱穩(wěn)定性欠佳。有機(jī)鈉鹽中的NaFSI導(dǎo)電率高但電化學(xué)窗口窄， NaTFSI熱穩(wěn)定性好但低濃度易腐蝕集流體。
 
鈉離子電池BOM成本測(cè)算
 
　　鈉離子電池成本測(cè)算
 
　　定價(jià)對(duì)標(biāo)磷酸鐵鋰平替，仍有較大下降空間。由于正極、負(fù)極等原材料尚未形成市場(chǎng)規(guī)模，多數(shù)企業(yè)選擇自供，尚無(wú)穩(wěn)定市場(chǎng)報(bào)價(jià)。我們預(yù)測(cè)產(chǎn)業(yè)化 初期，鈉離子電池每kwh制造成本在600-700元之間。待產(chǎn)業(yè)鏈形成規(guī)�；a(chǎn)后，有望下降到500元/kwh以下。假設(shè)碳酸鋰價(jià)格跌回15萬(wàn)元/噸， LFP價(jià)格回落到7.35萬(wàn)元/噸左右，對(duì)應(yīng)LFP電芯全成本約為700元/kWh左右，鈉離子電池仍將具備明顯的成本優(yōu)勢(shì)。
 
產(chǎn)能梳理和需求測(cè)算
 
　　鈉離子電芯產(chǎn)能規(guī)劃超過(guò)100GWh
 
　　據(jù)公開(kāi)資料統(tǒng)計(jì)，鈉離子電芯頭部廠商產(chǎn)能規(guī)劃合計(jì)超過(guò)100GWh。主要分為傳統(tǒng)鋰離子電池廠商轉(zhuǎn)型，和鈉離子電池專業(yè)化廠商。由 于鈉離子電芯產(chǎn)線和鋰離子電芯產(chǎn)線設(shè)備相似度較高，存在從鋰離子電芯產(chǎn)線技改切換的可能性，實(shí)際上產(chǎn)能彈性較大。 從投資強(qiáng)度來(lái)看，鈉電池與鋰電工藝設(shè)備基本類似，投資強(qiáng)度與鋰電接近；正極分為普魯士類和層狀氧化物，根據(jù)企業(yè)公告數(shù)據(jù)，普魯 士類投資強(qiáng)度在1.4-2億元，層狀氧化物與三元共線，投資成本接近；負(fù)極和電解液溶質(zhì)投資預(yù)計(jì)將會(huì)低于現(xiàn)有鋰電水平。
 
　　鈉離子電池需求測(cè)算
 
　　展望A00級(jí)電動(dòng)車、電動(dòng)兩輪車和儲(chǔ)能領(lǐng)域，到2025年對(duì)電池需求約為441GWh，假設(shè)鈉離子電池滲透率為16%，對(duì)應(yīng)鈉 離子電池需求71.2GWh。展望2030年，鈉離子電池需求有望達(dá)到439GWh。在此我們強(qiáng)調(diào)：決定滲透率的是供給側(cè)能力， 如果鈉離子電池性能、成本超預(yù)期，實(shí)際需求空間更大。
 
產(chǎn)業(yè)鏈重點(diǎn)公司分析
 
　　寧德時(shí)代：鋰電全球龍頭，領(lǐng)航鈉離子電池量產(chǎn)
 
　　2021年7月寧德時(shí)代正式發(fā)布第一代鈉離子電池，計(jì)劃2023年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈，并宣布第二代鈉離子電池的能量密度將達(dá)到200Wh/kg，系統(tǒng) 能量密度能做到160Wh/kg。同時(shí)亮相創(chuàng)新的鋰鈉混搭電池包（高性能的鋰+低成本的鈉互補(bǔ)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用）。
 
　　中科海鈉：中科院物理所孵化，深耕鈉離子電池 合作華陽(yáng)股份、三峽資本、多氟多等，獲華為戰(zhàn)投
 
　　中科院物理研究所2011年起致力于鈉離子電池技術(shù)開(kāi)發(fā)，2017年依托其技術(shù)的中科海鈉成立，創(chuàng)始團(tuán) 隊(duì)包括核心技術(shù)人員胡勇勝、陳立泉等，試驗(yàn)線建設(shè)在江蘇溧陽(yáng)。2020年中科海鈉Pre-A輪融資得到 華陽(yáng)新材料集團(tuán)旗下梧桐樹(shù)資本投資，而后與具備豐富無(wú)煙煤資源的華陽(yáng)股份深度合作，在山西共建 正負(fù)極材料生產(chǎn)線，并為其鈉離子電池產(chǎn)線提供技術(shù)支持。此外，中科海鈉與三峽江蘇能投、阜陽(yáng)國(guó) 資合資建設(shè)鈉離子電池生產(chǎn)基地。
 
　　浙江鈉創(chuàng)&維科技術(shù)：交大科研團(tuán)隊(duì)領(lǐng)軍，合作新宙邦、淮�？毓傻�
 
　　浙江鈉創(chuàng)成立于2018年，團(tuán)隊(duì)核心技術(shù)來(lái)源于上海交通大學(xué)馬紫峰教授團(tuán)隊(duì)，實(shí)控人為其學(xué)生 車海英博士（上海電化學(xué)能源器件工程技術(shù)研究中心中級(jí)研究人員），浙江醫(yī)藥戰(zhàn)略投資參股。 淮�？毓�2021年參與其Pre-A輪融資，維科技術(shù)2022年參與其A輪融資。當(dāng)前估值已超過(guò)24億 元。
 
　　維科技術(shù)2004年即進(jìn)入電池行業(yè)，2019年與LG化學(xué)在南昌合資建設(shè)電池廠，在聚合物鋰電池、 鋁殼鋰電池行業(yè)有技術(shù)和工藝積淀。當(dāng)前規(guī)劃首期2GWh鈉離子電池產(chǎn)線，2023年中有望投放。
 
　　新宙邦（鋰離子電池電解液頭部企業(yè)之一）2019年與鈉創(chuàng)控股股東上海紫劍化工共同申請(qǐng)《鈉 離子電解液、二次電池及制備方法和應(yīng)用》專利。
 
 
       報(bào)告節(jié)選：


　　

　　

　　

　　

　　

　　
 

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 鈉離子電池
作者：鄧偉 游寶來(lái) ，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明出處：http://kqcgw.com/wenshuo/sc/2022112540694.html
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